GROUND VIBRATION DALAM KEGIATAN BLASTING BATUAN

GROUND VIBRATION DALAM KEGIATAN BLASTING

Ground vibration adalah pergerakan seismik di tanah yang disebabkan oleh peledakan batuan, pemancangan tiang, lalu lintas, penggalian, getaran akibat pemadatan dan lain-lain, yang merupakan bentuk transportasi energi melalui tanah, dapat merusak struktur yang berdekatan ketika getaran mencapai tingkat tertentu. Beberapa jenis energi yang dilepaskan dari peledakan (blasting) merambat ke segala arah dari lubang ledak sebagai gelombang seismik dengan frekuensi yang berbeda. Energi dari gelombang seismik teredam oleh jarak dan gelombang dengan frekuensi tertinggi yang teredam lebih cepat. Ini berarti bahwa rambatan frekuensi dominan dari suatu ledakan adalah frekuensi tinggi dalam jarak pendek dan frekuensi lebih rendah pada jarak yang lebih jauh.

Besaran ground vibration tergantung atas :

• Kuantitas bahan peledak
• constriction
• Karakteristik batuan
• Jarak dari lokasi peledakan
• Geologi yang terdapat pada lapisan batuan bumi

Dengan memilih metode peledakan, pengeboran yang benar dan pola peledakan maka besaran ground vibration dapat dikendalikan.

Ground vibration adalah suatu jenis gelombang seismik yang kompleks dan terdiri dari berbagai jenis gelombang :

* P-wave. P-wave juga disebut gelombang primer atau kompresi. Ini adalah gelombang paling cepat merambat melalui tanah. Partikel-partikel dalam gelombang bergerak ke arah yang sama dengan propagasi gelombang. Kepadatan materi akan berubah ketika dilewati gelombang.

* S-wave. S-wave juga disebut gelombang sekunder atau shear wave.               Bergerak melalui medium pada sudut yang sesuai terhadap propagasi               gelombang tetapi lebih lambat dari P-wave. S-wave merubah bentuk materi       tetapi tidak merubah kepadatannya.

Kedua gelombang untuk P-wave dan S-wave disebut sebagai body wave.

* R-wave. R-wave (gelombang Rayleigh) adalah gelombang permukaan yang memudar cepat sesuai perubahan kedalaman. Merambat lebih lambat dari gelombang P dan S dan partikel bergerak eliptik dalam bidang vertikal dan di arah yang sama dengan propagasi.

Pengukuran ground vibration biasanya dilakukan pada satu atau beberapa titik di permukaan tanah. Untuk analisis total, prakteknya adalah untuk mengukur dalam tiga arah: vertikal, longitudinal dan transversal. Biasanya komponen vertikal yang dominan pada jarak lebih pendek. Oleh karena itu biasanya cukup untuk mengukur dalam arah vertikal. Untuk analisis getaran dari nilai yang terukur, fenomena getaran dapat dicatat sebagai fungsi dari riwayat waktu ke waktu. Kemudian displacement, particle velocity dan acceleration dapat direkam.

Aturan dasarnya adalah bahwa vibration velocity diukur pada struktur bangunan dll dengan geophone dan acceleration pada instalasi komputer dll dengan accelerometer. Jika vibration velocity diukur, acceleration dapat dihitung dan sebaliknya. Parameter yang paling menarik diperhatikan adalah pada kriteria kerusakan struktur bangunan yang perlu dilindungi dari getaran.

Rekomendasi Kriteria Kerusakan

Pengalaman hasil pengukuran selama bertahun-tahun menunjukkan bahwa particle velocity dari ground vibration yang mempengaruhi pondasi bangunan merupakan parameter terbaik untuk kriteria risiko kerusakan. Ground vibration merupakan getaran berbentuk gelombang sinus, particle velocity dapat dihitung dengan rumus berikut :

v =  2∏fA

dimana      v = particle velocity (mm/sec)

f = frekuensi (periods/sec)

A = displacement dalam mm

Dari rumus diatas, acceleration getaran dapat dihitung dengan rumus :

a = 4∏²f²A

dimana       a = acceleration dalam g (9.81 m/sec2)

A = displacement dalam mm

Pengendalian particle velocity penting dilakukan, seperti yang telah dibuktikan berbanding lurus dengan stres yang diterima bahan bangunan. Hubungan antara particle velocity dan stres dalam kondisi yang ideal, ketika bidang gelombang kejut melewati media elastis dapat dinyatakan sebagai berikut:

y = v/c

dimana      y = shearing angle (mm/m)

v = particle velocity (mm/sec)

                 c = propagation velocity (m/sec) 

Untuk merekomendasikan batasan realistis ground vibration terhadap bangunan, harus dikonsultasikan dengan ahli yang berpengalaman intensif bidang peledakan batuan dan evaluasi hasil pengukuran getaran. Pembatasan dalam hal pengurangan tingkat getaran akan meningkatkan biaya pengeboran dan peledakan yang disarankan. Untuk alasan tersebut diperlukan untuk memulai semua operasi peledakan di daerah yang berpenduduk dengan menginspeksi bangunan sekitarnya. Selanjutnya dianalisis risiko untuk menilai sensitivitas ground vibration terhadap bangunan dan pondasi.

Parameter yang paling penting adalah:

• Resistensi bahan bangunan terhadap getaran.
• Kondisi umum bangunan.
• Durasi dan karakter dari ground vibration.
• Keterdapatan peralatan yang peka terhadap ground vibration di dalam gedung.
• Bagaimana fondasi dibangun.
• Kualitas fondasi.
• Kecepatan dari perambatan gelombang terhadap batuan, tanah dan bahan bangunan.

Tabel berikut menunjukkan nilai yang biasanya diperbolehkan dan yang digunakan untuk mengevaluasi potensi risiko kerusakan melalui ground vibration untuk perumahan standar. Meskipun vibration velocity dinyatakan sebagai nilai yang diizinkan itu adalah sudut geser yang menentukan dimensi. Akurasi dari nilai-nilai dalam tabel tersebut telah dikonfirmasi dalam ratusan hingga ribuan pembacaan selama lebih dari 40 tahun.

Dalam kondisi bangunan tua berkualitas rendah, biasanya menurunkan vibration velocity yang diijinkan dari 70 mm/detik menjadi 50 mm/detik, pada gedung-gedung beton ringan harus turun menjadi 35 mm/detik. Sebaliknya ada kemungkinan dengan nilai-nilai kecepatan lebih dari 100 mm/detik yang dicapai tanpa merusak bangunan. Dalam kasus operasi peledakan tersendiri, struktur beton kokoh dapat tahan dengan nilai melebihi 150 mm/detik.

Jika nilai-nilai batas pada tabel di atas terkait "no visible cracking" dipindahkan ke grafik ketiga, kurva akan terlihat seperti pada kurva 3 di Gambar 4. Namun dalam kurva batas nilai untuk bangunan yang didirikan di atas batuan telah berkurang dari 70 mm/detik menjadi 50 mm/detik. Kurva 3 dapat dikatakan mewakili nilai-nilai batas yang direkomendasikan untuk daerah pemukiman normal. Untuk frekuensi melebihi 40 Hz kecepatan partikel (particle velocity) menjadi kriteria untuk kerusakan tetapi pada frekuensi yang lebih rendah displacement merupakan kriteria yang menentukan.

Frekuensi dominan untuk getaran yang melalui  jenis batuan lunak, moraine, pasir, kerikil, tanah liat dll lebih rendah daripada granit. Hal ini ditunjukkan pada tabel di atas dan kurva 3 yang mencerminkan frekuensi yang lebih rendah di mana displacement digunakan sebagai kriteria menentukan. Kurva 2 pada Gambar 4 merupakan nilai-nilai di mana bangunan menerima kerusakan langsung. (Langefors dan Kihlstrom, 1967.)

Harus dipahami bahwa kurva 3 hanya menunjukkan nilai batas yang dianjurkan dan penilaian ahli diperlukan untuk menentukan lebih akurat atas nilai-nilai batas atas yang harus ditetapkan untuk struktur yang berdekatan dengan operasi peledakan.

Kriteria untuk kerusakan dan rekomendasi:

Kurva 1: Batas atas yang direkomendasikan untuk instalasi komputer dengan                  durasi getaran kurang dari 5 detik.

Kurva 2: kerusakan langsung dari getaran bangunan selama peledakan.

Kurva 3: Direkomendasikan batas atas untuk peledakan.

Kurva 4: Getaran mengganggu manusia.

Sehubungan dengan operasi peledakan dekat dengan stasiun telepon dan stasiun relay atau bangunan yang berisi peralatan yang sensitif lainnya seperti komputer, mikroskop elektron, turbin dll pertimbangan harus diberikan atas acceleration untuk menghindari gangguan.

Rekomendasi besaran ground vibration yang dekat dengan peralatan adalah :

-          -     Telephone-relay stations

V = 50mm/sec. and a = 0.1-3.0 g depending on type of station.

-   TV-stations

V = 35 mm/sec. and a = 3.0 g.

-   Axe-electronic switch boards

V = 20 mm/sec.

-   Computers

A = 0.25 g. (For certain parts of the computer.)

Peledakan dekat dengan instalasi komputer (bukan komputer mikro atau PC: s), di mana produsen menetapkan acceleration maksimum 0,25 g. Nitro Consult AB, anak perusahaan dari Dyno Industries, Norwegia, telah mengembangkan metode khusus untuk meredam getaran terhadap instalasi ini, sehingga mengurangi getaran yang masuk ke peralatan. Proses peredaman yang terjadi harus selalu diikuti dengan pengukuran getaran.

Besaran ground vibration tergantung pada:

•           Jumlah total charge
•           Jumlah lubang ledak
•           Karakteristik batuan
•           Jarak dari lokasi peledakan
•           Geologi daerah sekitarnya

Untuk perencanaan operasi peledakan di mana masalah ground vibration muncul, adalah penting untuk menyadari hubungan antara jarak, charge dan ground vibration.

Untuk menentukan tingkat pengisian charge terkait kecepatan getaran bisa dihitung menggunakan rumus Langefors.

Charge level = Q/R^3/2

di mana Q menunjukkan charge dalam satu lubang dalam kg atau sejumlah charge instantaneously fired dalam jarak (R) yang sama dalam meter.

Vibration velocity:

          V = K √(Q/R^3/2)

Q = instantaneously detonating charge (instantaneously) (kg)

R = jarak (m)

V = vibration (particle) velocity (mm / detik)

K = transmission factor, nilai konstan tergantung pada homogenitas batuan dan adanya patahan dan retakan. Untuk granit keras jenis Swedia kira-kira 400 tetapi umumnya lebih rendah.

Hubungan antara charge/jarak dan ground vibration dapat digunakan untuk membuat tabel sederhana yang dapat berfungsi sebagai acuan untuk perencanaan operasi peledakan.

Hubungan charge/jarak dan vibration velocity juga dapat dinyatakan secara grafis:

Tabel jarak dan charge yang didasarkan pada rock transmission factor K harus digunakan dengan hati-hati jika dekat dengan bangunan di mana fondasi bangunan tidak diketahui konstruksinya misalnya bangunan dibangun sebagian di atas batuan dan sebagian diatas tanah dan bangunan yang didirikan di atas tumpukan kayu di tanah liat dll nilai rock transmission factor K juga akan berubah tergantung pada karakteristik tanah dan jarak. Material lepas seperti moraine dan tanah liat memiliki nilai K lebih rendah dari batuan keras yang homogen. Rock transmission factor K juga lebih rendah dalam batuan lapuk dan pecah-pecah.

Nilai aktual dari faktor K terbaik ditentukan dengan uji peledakan di lokasi dan dilaksanakan pengukuran getaran secara teliti.

Untuk mengevaluasi hasil uji peledakan, ledakan harus dipertimbangkan misalnya jika dari lubang uji menghasilkan penghancuran batuan atau jika hanya meretakan batuan atau jika tidak ada pengaruh terhadap batuan sama sekali. Untuk mengevaluasi hasil uji ledakan dengan benar diperlukan pengalaman uji peledakan dan pengetahuan bidang ground vibration.

Ketika rock transmission factor K ditentukan, grafik pada Gambar 7 dapat disesuaikan dan hubungan yang realistis antara charge/jarak dan vibration velocity disesuaikan dengan kondisi setempat.

Perbandingan dari dua grafik dengan rock transmission factors K = 400 dan K = 100 masing-masing menunjukkan bahwa efek peredaman lebih tinggi pada batuan lebih lunak (K = 100) dan vibration velocity lebih rendah jika hubungan charge/jarak diatur sebaik mungkin.

Pengaruh Ground Vibration Terhadap Faktor Geologi

Tanah dan batuan merupakan material berpori dengan massa dasar yang relatif rigid. Pori-pori terisi oleh air atau udara. Tanah merupakan massa yang terdiri atas butiran mineral yang memiliki friksi dan kohesif antar material. Dalam batuan sedimen butiran mineral tersementasi bersama-sama dan dalam batuan magma dan batuan metamorphous mineral telah mengkristal dalam massa batuan yang biasanya berisi celah air dan joint. Dalam prakteknya mungkin sulit untuk menilai propagation velocity yang akurat gelombang seismik dalam tanah dan batuan yang berbeda.

Propagation velocities gelombang Rayleigh tergantung pada frekuensi yang lebih rendah dibandingkan frekuensi untuk gelombang shear.

Setiap lingkungan geologi memiliki karakteristik masing-masing ground vibration yang mempengaruhi perambatan gelombang vibration. Karakteristik ground vibration tergantung pada sifat berikut :

•             Elastic constants tanah (elastic dan shearing moduli) yang menentukan kecepatan propagasi gelombang.
•            Jenis dan kedalaman tanah yang menentukan rentang dominan frekuensi dan  jenis gelombang.
•             Kelembaban tanah dan water level air tanah.
•            Topografi dan morfologi, yang dapat mefokuskan gelombang seismik.
•             Karakteristik peredaman dari tanah.

Contoh faktor-faktor geologi yang mempengaruhi operasi peledakan batuan adalah perbedaan dalam charge yang diijinkan dalam jarak yang berbeda di Swedia dan U. S.A.

Di U.S.A. vibration velocity tertinggi yang diijinkan adalah 50 mm/detik dan skala jarak aman telah disusun untuk digunakan di lapangan. Persamaan untuk desain ledakan adalah:

D/√W ≥ 50 ft/lb^1/2 = S.D. (1)

D/√W ≥ 20 ft/lb^1/2 = S.D. (2)

Dimana D    adalah jarak dalam feet dari lokasi peledakan hingga struktur                 bangunan yang bersangkutan

 W    adalah berat charge maksimum dalam pound per delay

 S.D. adalah skala jarak

Persamaan #1 direkomendasikan untuk lokasi di mana tidak ada instrument pengukuran, persamaan dibuat dengan faktor keamanan yang cukup tinggi. Persamaan #2 hanya direkomendasikan untuk lokasi di mana instrument perekaman ledakan dibuat.

Skala jarak dari atau lebih akan melindungi terhadap getaran lebih besar dari 50 mm/detik. Seperti dapat dilihat dalam Grafik 10, skala jarak persamaan #1 memberikan  nilai-nilai lebih konservatif, terutama pada jarak pendek, misalnya pada jarak 10 m, 0,2 kg per delay diperbolehkan menurut persamaan skala jarak di U.S.A. sementara 0,5 kg diperbolehkan untuk peledakan  instan di Swedia. (Yang bisa dua kali lipat atau tiga kali lipat per delay jika MS menggunakan detonator) Di sisi lain, Grafik 10 juga menunjukkan bahwa, bila menggunakan persamaan #2, tingkat charge dapat meningkat pesat, misalnya pada jarak 10 m 1,0 kg bisa diledakan secara bersamaan. Namun, persamaan #2 hanya direkomendasikan untuk lokasi di mana getaran diukur dan puncak particle velocities 50 mm/detik atau kurang. Jika blaster ingin menggunakan jarak berskala kecil, yaitu dia ingin menggunakan bahan peledak per delay, maka konsultan dan/atau diperlukan izin dari pihak berwenang.

Pada jarak yang lebih besar S.D. 50 tidak begitu konservatif, di 100 m 20 kg per delay mungkin dibandingkan charge dengan 15 kg di Swedia, tapi pada S.D. 20 memperbolehkan 100 kg per delay. Tingkat charge yang jauh lebih tinggi di U.S.A. terutama pada jarak yang lebih besar. Alasan untuk itu adalah bahwa karakteristik batuan di U.S.A. berbeda dengan di Swedia. Batuan umumnya lebih lunak dan lebih lapuk dengan kecepatan propagasi gelombang getaran lebih rendah. Sehingga getaran yang diredam lebih cepat dan vibration velocity diperlemah.

Perencanaan Operasi Peledakan

Pada tahap perencanaan operasi peledakan, perhatian harus diutamakan pada karakteristik geologi dari batuan. Zona batuan lapuk dan pecah-pecah diantara lokasi peledakan dan objek yang sensitif terhadap getaran akan menghasilkan efek redaman ground vibration. Jika karakteristik geologi batuan berubah dimana batuan lebih homogen dapat meningkatkan ground vibration. Mungkin diperlukan untuk mengurangi charge untuk menghindari kerusakan bangunan.

Oleh karena itu uji peledakan harus diukur untuk membuat profil seismik di mana gelombang seismik diukur pada berbagai titik yang memberikan informasi tentang bagaimana karakteristik batuan bervariasi.

Perencanaan dan pelaksanaan operasi peledakan, sangat perlu untuk mengatur sebaik mungkin sebagai akibat keterbatasan area dengan diminimalkan menggunakan pola yang benar dalam  pengeboran dan peledakan.

Vibration velocity juga tergantung pada kemiringan lubang. Lubang curam atau kondisi lain kecenderungannya meningkatkan constriction ledakan (misfires dll) yang dapat menyebabkan peningkatan yang cukup besar vibration velocity.

Ground vibration juga akan meningkat jika ledakan itu gagal memecahkan batuan mencapai ke tingkat yang diinginkan.

Putaran pertama peledakan dilokasi kerja harus dianggap sebagai uji peledakan dan pengukuran getaran harus digunakan sebagai pedoman untuk perencanaan operasi peledakan yang optimal. Hasil dari pengukuran getaran harus digunakan untuk semua operasi peledakan agar tercapai  pola pengeboran dan pola peledakan yang paling ekonomis. Namun margin tertentu untuk vibration velocity yang diijinkan harus selalu dipertahankan yang mungkin saja ground vibration meningkat tajam jika peledakan tidak berjalan sesuai rencana. Ini bisa menyulitkan dalam situasi ketika titik bor jumlahnya jauh lebih cepat dibor dibandingkan operasi peledakan, tetapi menggunakan hasil analisis risiko awal dan tindak lanjut menyeluruh selama operasi peledakan dimana pola pengeboran dapat dipilih sedemikian rupa sehingga charge dapat digunakan dengan berbagai cara jika nilai vibration velocity masih terlalu tinggi.

Penyelidikan menunjukkan bahwa masyarakat pada umumnya bereaksi terhadap nilai-nilai vibrasi jauh di bawah ambang batas untuk kerusakan pada bangunan. Ini juga telah menunjukkan bahwa operasi peledakan yang dieksekusi dalam waktu singkat lebih dapat diterima oleh masyarakat dibandingkan operasi peledakan yang berlangsung untuk waktu yang lama bahkan jika ada jeda waktu yang panjang antar ledakan.

Cara terbaik untuk mencegah keluhan adalah jika mereka yang bertanggung jawab atas operasi peledakan memberikan informasi yang komprehensif kepada masyarakat yang terkena dampak.